南水北调泵站调节池表层沉积物氮形态分布特征及影响因素*

唐梦园 邱春生,2# 田 丰 白金超 王晨晨,2 王少坡,2 孙力平,2

(1.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384;2.天津市水质科学与技术重点实验室,天津 300384;3.天津水务集团有限公司,天津 300202)

沉积物是湖泊、水库等生态系统中污染物质的重要载体,在一定条件下,沉积物中的氮、磷和有机物等会通过扩散、物理扰动和生物代谢等作用进入上覆水,造成水体的二次污染[1-2]。氮水平是导致水体富营养化和影响供水安全的关键因素[3],沉积物中氮的含量和赋存形态对其环境地球化学行为和内源释放特征有直接影响。

根据氮形态与沉积物结合程度的不同,可将沉积物中的总氮(TN)分为可转化态氮(TTN)和非转化态氮(NTN),TTN又分为离子交换态氮(IEF-N)、弱酸可浸取态氮(WAEF-N)、强碱可浸取态氮(SAEF-N)和强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)4类[4-5]。研究发现沉积物中高占比的TTN可增大氮释放的风险,而且TTN中IEF-N含量对上覆水中的氮含量影响较大[6-7]。沉积物pH、有机质含量和粒度分布等与氮形态分布有一定相关性[8]837,[9]30,上覆水水质、人类活动和地域特征等也会在一定程度上影响氮形态的分布[10-12]。沉积物中氮形态分布与影响因素研究对考察沉积物-上覆水界面间氮迁移转化的过程有重要意义[8]837,[13]1-2。

南水北调工程沿途由于风力、大气干湿沉降及其他因素,水中携带一定量的泥沙和有机体等悬浮物[14-15]。承担着给水厂供水任务的原水枢纽泵站是南水北调工程的最末端,调节池是泵站唯一取水调节设施和原水下游最终受水端。上游原水中的悬浮物进入调节池后因水流减缓大量沉积,沉积物内源污染物释放会对供水安全产生潜在威胁。当前对沉积物氮形态的研究主要集中在湖库、城市河道和近海等水体沉积物,但调节池具有流速快、水力停留时间短和污染物来源单一等特点,针对南水北调泵站调节池沉积物氮形态分布的研究鲜见报道。

本研究以天津市区两个原水枢纽泵站调节池为研究对象,考察春、夏两季调节池不同采样点表层沉积物(以下简称沉积物)理化特征,包括pH、TN、总磷(TP)、无机磷(IP)、有机质含量以及粒度分布等;并采用分级浸提法分析沉积物中氮的形态分布,在此基础上对沉积物中不同形态氮与其他指标的相关性进行分析,为调节池沉积物内源污染释放控制和供水安全保障提供支撑。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与预处理

南水入津后经暗涵分为两道,分别进入A泵站调节池(池长350 m,宽220 m,深度10.9 m,有效容积46.0万m3)与B泵站调节池(总净宽185 m,进口导流段南北向长335 m,其余部分南北向长250 m,有效容积31.1万m3)。根据调节池结构、流向和实际淤积情况,A 泵站调节池设5个采样点(XH1～XH5),B泵站调节池设4个采样点(CZ1～CZ4)，具体见图1。取样时间分别为2021年4月23日和8月21日,现场采用抓泥斗采集沉积物样品,混合均匀后立即装入封口铝箔袋置于保温箱,2 h内运送回实验室。沉积物样品经冷冻干燥处理,去除枝干等生物残体,研磨后过100目筛,置于铝箔袋4 ℃保存。

图1 采样点分布示意图Fig.1 Distributions of sediment sampling points

1.2 样品的测定方法

沉积物样品pH采用电极法现场测定;TN采用过硫酸盐消化法测定[16];TP和IP采用SMT法提取后用钼酸盐分光光度法测定[17];有机质含量采用烧失量法测定[18];粒度经预处理[19]后采用马尔文Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定;沉积物氮形态采用分级浸提法[8]838-839测定。所有沉积物样品均平行测定3次。

1.3 沉积物污染评价

TN的单项评价指数计算公式(见式(1))和污染评价标准(见表1)参照文献[20]。

STN=CTN/CS

(1)

式中：STN为TN单项评价指数;CTN为TN实测质量浓度,mg/kg;CS为TN污染程度标准限值,mg/kg，取440.00 mg/kg。

表1 TN污染程度评价标准Table 1 Pollution degree evaluation criteria of TN

2 结果与讨论

2.1 调节池沉积物基本理化指标

调节池沉积物基本理化性质见表2。沉积物pH为6.75～7.32。春季调节池沉积物TP为255.68～408.76 mg/kg,均值为342.93 mg/kg,其中磷形态以IP为主,占比(以质量分数计,下同)为72.30%～84.97%;B泵站调节池进水口(CZ1)沉积物TP和IP含量较高,可能与磷多负载于颗粒物易沉积有关[13]7-10;沉积物有机质为8.22%～16.23%,均值为11.53%,进水口(XH1、CZ1)沉积物有机质含量高于其他采样点。夏季调节池沉积物TP为318.25～400.97 mg/kg,均值为363.90 mg/kg,磷形态也以IP为主(占比54.37%～81.71%);有机质为6.50%～10.04%,均值为8.48%,夏季调节池沉积物有机质较春季略低,可能与夏季沿途雨水冲刷部分泥沙进入水体有关[21]。调节池沉积物依据应用较为广泛的粒级划分方法[22]可划分为泥(<10 μm)、粉砂(10～<100 μm)、砂(100～1 000 μm)和砾(>1 000 μm)。两个调节池不同采样点沉积物粒径分布存在差异,进水口沉积物粒径较大,距进水口较远且流速较缓处小粒径颗粒物占比较大,这与不同粒径颗粒物的沉降速率和局部流速有关,大颗粒沉积物沉降速度快易沉积在流速较大的采样点[23];春、夏季同一采样点沉积物的粒度组成也不同,春季沉积物粒径较大,以砂为主,夏季以粉砂为主。

表2 沉积物基本理化性质1)Table 2 General physicochemical properties of the sediments

2.2 沉积物TN分布特征

TN含量在很大程度上决定了沉积物内源污染程度与释放潜力[24]103。由图2可知,两个调节池春季TN为3 676.51～7 515.99 mg/kg,均值为5 504.48 mg/kg;夏季TN为1 924.12～3 615.93 mg/kg,均值为2 689.16 mg/kg。春季调节池STN=12.5,夏季STN=6.1,均属于重度污染,且春季调节池沉积物氮营养盐污染程度为夏季的2倍。由图2可知,9个采样点中,TN含量分布不均,差异明显,季节变化也明显,除XH5夏季未取到沉积物外,其他采样点TN含量均为春季>夏季。春季两个调节池进水口沉积物TN含量最大,均高于其他采样点,可能是由于原水悬浮物进入调节池后主要沉积在进水口。夏季调节池沉积物TN含量较春季低,主要与夏季进水泥和粉砂含量高(见表2)且夏季进水悬浮物(29.25 mg/L)高于春季(11.75 mg/L)有关,其次与夏季高温下沉积物中的氮释放速度较快有关[25-26]。

图2 调节池沉积物TNFig.2 TN of the sediment in regulating reservoir

2.3 沉积物不同形态氮的含量和分布特征

2.3.1 沉积物TTN含量及分布

TTN是沉积物氮中可参与循环的部分,在环境发生变化时可以释放并重新参与循环[27]。图3展示了春、夏季调节池各采样点沉积物中TTN及其在TN中的占比(均以质量分数计，下同)。春季调节池沉积物中的TTN为794.48～2 331.17 mg/kg,在TN中的占比为19.42%～38.54%;夏季TTN为854.68～1 372.16 mg/kg,在TN中的占比为24.46%～46.14%。与夏季相比,春季不同采样点TTN含量差异较大,春季两个调节池进水口沉积物TTN含量均较其他采样点高。虽然春季沉积物中TTN含量总体较夏季高,但夏季TTN在TN中的占比总体高于春季,这可能与夏季调节池沉积物中小粒径颗粒物含量较高有关。吕晓霞等[28]研究不同粒级沉积物中TTN的含量表明,沉积物中小粒径颗粒物的含量越高,沉积物中TTN占比越高;焦立新[29]32-35的研究结果也与此一致。夏季TTN在TN中的占比增大,表明沉积物中能够释放并且参与循环的氮含量增加,进一步加大沉积物氮释放风险[24]103。

图3 不同采样点TTN及其在TN中的占比Fig.3 TTN and its proportions in TN at different sampling points

2.3.2 沉积物不同氮形态的含量及分布

调节池沉积物春、夏两季各形态氮在TTN中的占比见图4。4种形态氮在TTN中的占比均值表现为IEF-N(47.48%)>SAEF-N(21.34%)>WAEF-N(15.85%)>SOEF-N(15.33%)。

图4 春、夏季不同形态氮在TTN中的占比Fig.4 Proportions of different forms of nitrogen in TTN

IEF-N是与沉积物结合能力最弱的氮形态,易释放参与氮循环[30]。两个调节池春、夏季各采样点沉积物4种形态氮中IEF-N占比较高。研究显示,IEF-N含量受到沉积物有机质含量和粒度的影响,其在细软的黏土质软泥和粉砂质黏土等小颗粒中含量要高于较粗的砂质地大颗粒沉积物[31-32]。春季进水口沉积物IEF-N占比均大于其他采样点,与沉积物有机质含量较高有关。两个调节池除进水口外,其他采样点夏季IEF-N占比均高于春季,可能与夏季沉积物中小粒径颗粒物占比高有关,沉积物粒径越大其营养盐等交换越频繁,不利于IEF-N沉积[33]。

表3 沉积物氮形态与其主要理化性质的相关性分析1)Table 3 Correlation analysis between nitrogen forms and major physicochemical properties of sediments

SAEF-N是沉积物中与铁锰氧化物结合的氮,也是无机氮的主要存在形式,还原环境有利于SAEF-N的释放。各采样点间SAEF-N占比变化不大,季节变化规律亦不明显,可能是由于调节池水流量较大,各采样点氧化还原环境类似。

SOEF-N主要是沉积物TTN中唯一存在的有机氮形态,也是可转化态氮中最难释放的氮形态[37-38]。SOEF-N占比最低,且时空差异也不明显。

2.4 沉积物氮形态影响因素分析

沉积物氮形态与其主要理化性质的相关性见表3。TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SAEF-N、SOEF-N与TN之间的相关性表现为NTN>SAEF-N>TTN>WAEF-N>SOEF-N>IEF-N,所有形态氮均与TN呈极显著相关性或显著相关性,表明各形态氮的分布特征均与TN的分布特征类似,说明TN含量与分布特征在一定程度上能够反映调节池沉积物氮内源污染程度。IEF-N作为TTN重要的组成部分,与TTN间呈极显著正相关性,说明IEF-N是TTN参与氮循环释放的主要贡献形态[29]24-28。TN、各形态氮与TP、IP间的相关性较弱,说明沉积物中的氮与磷的来源可能不同,同时磷含量对各形态氮的分布影响较小。TN、各形态氮与pH间表现出负相关性,可能是由于沉积物pH会影响氮循环中微生物的活性,从而影响硝化与反硝化过程,进一步影响各形态氮的含量与分布。TN、各形态氮与有机质含量表现出极显著正相关性,说明调节池沉积物中氮可能主要来源于有机质,这与赵宝刚等[8]837,[9]35-36的研究结果一致,沉积物中有机质含量会影响微生物的活性从而影响微生物对有机氮及SOEF-N的矿化程度,进而影响了各形态氮的含量[39]。因此,有机质含量是调节池沉积物中氮形态的影响因素。

TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N与泥、粉砂均呈不同程度正相关性,而与砂、砾呈现负相关性,这可能是因为粒径较大的沉积物在环境剧烈变化时也不易破碎从而释放氮,粒径小的沉积物易受环境的影响使氮溶出[29]30-35,同时NTN更容易保存在粒径较小的颗粒物中[9]36,因此粒径较小的沉积物也是氮循环释放的贡献主体。SAEF-N与泥、粉砂均呈负相关性,而与砂、砾呈正相关性,这可能是因为较小粒径颗粒物容易形成还原环境,有利于沉积物中SAEF-N的释放[40]。因此,粒径分布也是调节池沉积物中氮形态的影响因素。

3 结 语

A、B泵站调节池进水口沉积物IP是TP的主要成分,进水口有机质均高于其他采样点。沉积物在春季以砂为主,夏季以粉砂为主。调节池进水口大颗粒沉积物占比较大,随水流方向小粒径沉积物占比升高。春季进水口TN、NTN均高于其他采样点,调节池春、夏季TN均达到重度污染级别,沉积物内源氮释放的潜力较大。IEF-N是TTN的主要组成部分,春季沉积物TN、TTN含量总体高于夏季,但夏季TTN在TN中的占比及IEF-N在TTN中的占比基本高于春季。夏季温度较高,TTN释放潜力加大,氮元素向上覆水释放增强。WAEF-N在TTN中占比较低,SAEF-N与SOEF-N在各采样点间时空差异不明显。沉积物各形态氮与TP、IP含量相关性较弱。沉积物中的各形态氮与有机质间均呈极显著相关性,有机质的矿化作用会影响各形态氮的含量及组成。沉积物粒径分布对氮形态的分布影响较为明显,TN、TTN、NTN、IEF-N、WAEF-N、SOEF-N的含量均与泥、粉砂占比存在正相关性。